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La Présente invention a trait au soudage'à l'arc et, pins particulièrement au soudage à l'arc en atmosphère de gaz carbonique.
Dans tous les différents procédés de soudure, qui sont maintenant d'un usage général pour la soudure à l'arc métal- lique avec,électrode fusible, il est nécessaire de faire usage d'un flux et/ou d'un écran de gaz protecteur pour affiner le mé- tal de soudure et/ou pour éviter la formation d'oxydes et de nitrures, ainsi que pour éviter d'autres réactions qui réduisent les propriétés physiques du métal de soudure. Les électrodes enrobées habituelles donnent les résultats désirés en engendrant une atmosphère d'arc et en donnant une couverture de laitier réactif pour la zone de soudage. Fréquemment de telles électrodes reviennent cher à fabriquer et ne peuvent être produites qu'en baguettes, et non en fils continus.
Cela entratne de fréquentes
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interruptions :du soudage pour changer les électrodes, et comme le courant de soudage passe à travers toute la longueur de l'électrode il y a des limites définies pour le courant maximum que l'on peut utilisero La perte des chutes d'électrodes qui sont inhérentes à l'emploi des baguettes représente un gaspillage.Le soudage à l'arc submergé surmonte certaines de ces difficultés, car il utilise une électrode continue en fil nu, et l'arc est plongé dans une masse en fusion de flux préfondu. Dans ce procédé, le soudage est limité pour la plus grande part au soudage à plat, à moins d'avoir un appareil spécial pour maintenir le flux en place pour le soudage en position.
Le flux est cher et assez ennuyeux à manipuler, la soudure doit être faite sans visibilité, car l'opérateur ne peut pas voir l'arc ou le joint à souder. Très récemment le procédé de soudage à l'arc avec protection par gaz inerte, exposé dans le brevet belge N 493.266 est entré en usage. Il a pour avantages d'utiliser une électrode nue continue avec une haute densité de courant, d'être complètement visible et dtéviter l'emploi de laitier et de flux. Le gaz inerte utilisé pour protéger l'arc et la zone de soudage se dis- . sipe dans l'air et il n'y a pas besoin de nettoyage ou opérations auxiliaires entre les différentes passes ou après la fin de la soudure. Ce procédé produit à de grandes vitesses un métal de' soudure sain et a donné entière satisfaction du point de vue vitesse et qualité.
Le gaz de protection utilisé dans ce procédé est de préférence un gaz inerte monoatomique, tel que l'argon ou l'hélium qui est relativement coûteux. Le soudage à électrode fusible dans l'air sans protection par gaz ou flux n'est pas praticable, sauf pour des travaux de la plus basse qualité.
Un objet de la présente invention est de réaliser un procédé de soudage à arc visible, avec électrode de fil nu avancement continu, offrant la commodité de travail du procédé
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de soudage aveo électrode consommable protégée par gaz inerte, mais en utilisant une atmosphère gazeuse nettement moins coûteuse' qu'un gaz inerte monoatomique.
Un autre objet est de réaliser un procédé de soudage à l'arc aveo électrode consommable en atmosphère gazeuse de pro- tection, en utilisant un gaz de protection de composition autre qu'un gaz inerte monoatomique, et en obtenant un métal de soudure sain ayant de bonnes propriétés physiques, sans que le soudage donne lieu à des projections excessives.
Un autre objet est de pouvoir utiliser, dans un tel procédé de soudage, un gaz de protection de bas prix qui soit ininflammable et non-toxique.
,Ces objets de l'invention et d'autres encore seront mis en évidence ou deviendront apparents dans a description détaillée qui suit d'une forme de réalisation de l'invention.
Suivant la présente, invention, on a trouvé que, sous certaines conditions déterminées, on peut maintenir un arc de soudage en atmosphère de gaz carbonique entre une électrode à fil fusible et une pièce à souder, pour produire à grande vitesse des soudures de haute qualité, dans les métaux ferreux. La prin- cipale fonction du gaz carbonique est d'éliminer l'atmosphère ambiante de la région de l'arc. Ceci peut être accompli par un courant de gaz carbonique dirigé de façon à envelopper l'extré- mité de l'électrode fusible, l'arc et le métal fondu qui y est produit. Comme le gaz carbonique est relativement dense, on peut aisément l'employer pour envelopper l'arc dans un courant vrai- ment non-turbulent ayant une rigidité adéquate sans qu'il soit nécessaire d'en utiliser des quantités excessives.
Eliminer seulement l'air, n'est cependant pas un objet suffisant de la présente invention. On a trouvé qu'il devait exister un certain rapport entre le diamètre de l'électrode, le
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courant, la longueur de l'arc et la composition du fil d'élec- trode si l'on doit produire du métal de soudure sain sans pro- jections excessives. D'autres facteurs,'tels que le type de cou- rant de soudage, la vitesse de soudage et la composition de la pièce à souder sont aussi des facteurs importants pour l'objet de la présente invention,; Le rapport entre ces variables est exposé en détail dans la description qui suit et qui sera mieux comprise en se référant aux dessins qui l'accompagnent.
La figure 1 illustre sous forme simplifiée un appa- reil pour la mise en oeuvre de la présente invention,
La figure 2 illustre en partie en coupe et sur une plus grande échelle, une partie de la tête de soudage de la fi- gure 1.
La figure 3 est un graphique illustrant le rappel nécessaire entre certaines variables du procédé pour produire des soudures de bonne qualité.
En se référant à la figure 1 du dessin, la pièce souder est désignée par II. L'électrode de soudage 12 se présente sous la forme d'un long fil se dévidant/d'une bobine 13 montée de façon à tourner sur un support fixe 14. Les rouleaux entraîneurs
16 dans la tête de soudage 17 sont mus par un moteur électrique
18. Les rouleaux entraîneurs 16 tirent le fil 12 de la bobine 13 à travers une gaine flexible 19 et poussent le fil dans le baril- 'let de la tête de soudage 21. Le barillet de la tête de soudage 21 comprend un tube central 22 ( figure 3) et une enveloppe tubur laire extérieure 230 Le tube central se termine par un tube de contact 24 qui amène le courant de soudage au fil électrode 12 passant à l'intérieur.
L'enveloppe extérieure 23 se termine par une buse 26 entourant le tube central et le tube de contact.L'es- Puce annulaire 27 entre le tube central et l'enveloppe et entre le tube de contact et la buse forme un passage pour le courant
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de gaz de protection en direction de l'arc. Le barillet de la tête de soudage est conçu de préférence de telle manière que le gaz sorte de la buse en un courant vraiment non-turbulent pour protéger le bout de l'électrode, l'arc et la zone de soudage de l'air ambiant. Les brevets Etats-Unis N 2.544.711 et N 2.544.801, indiquent en détail les façons préférées de former l'a protection désirée avec un courant de gaz réellement non-turbulent.
Le courant de soudage peut être fourni par une machine de soudage du type habituel 31. Une des bornes de la machine de soudage est connectée électriquement à la pièce à souder par le câble 32 et l'autre borne est connectée électriquement par le câble 33 à la tête de soudage 21, par laquelle le courant est transmis par le tube de contact 24 au fil électrode 120 On 'prévoit de préférence un contacteur'34 pour ouvrir et fermer le circuit de soudage.
Le gaz carbonique provient d'une source telle que la bouteille 41, équipée d'un robinet 42, d'un détendeur 43 et d'un débitmètre 44. Le conduit 46 amène le gaz carbonique au rac- cord d'arrivée dans la tête de soudage. Ce raccord communique avec l'espace annulaire 27 entre les barillets interne et externe et amène le gaz carbonique à la buse.
Voici brièvement comment fonctionne cet appareil, On envoie un courant de gaz protecteur enivrant le robinet 42 du cylindre et en réglant le détendeur 43 jusqu'à ce que le débit- métre 44 indice le débit de gaz désiré. On ferme le contact 34, ce qui met sous tension l'électrode et la pièce à souder. On fait alors avancer l'électrode. 12 jusqu'à ce quelle touche la pièce 11 et que l'arc jaillisse. On fait descendre ensuite le fil vers la pièce de façon continue a une vitesse permettant de maintenir l'arc. Comme, dans ce procédé, une régulation précise de la lon- gueur de l'arc est essentielle, il est préférable de débiter le fil à partir d'Une tête de soudage automatique, comme représentée - 5 -
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sur le dessin.
Ces têtes automatiques répondent aux variations de tension de l'arc de façon à maintenir automatiquement cette tension et par suite à maintenir la longueur de l'arc réellement constante. La présente invention n'est cependant pas limitée à l'emploi de têtes de soudage à régulation automatique mais elle peut être mise en oeuvre avec des appareils à vitesse d'ali- mentation de fil constante, tels que les appareils manuels du type de ceux utilisés maintenant communément pour le soudage métallique à l'arc avec protection par gaz inerte,
Les essais antérieurs de soudage en atmosphère de gaz carbonique n'ont pas abouti à des réalisations industriel- les parce que certains rapports critiques entre la vitesse d'a- limentation du fil, le courant et la composition du fil d'élec- trode n'étaient pas maintenus.
On a maintenant trouvé que pour obtenir de bonnes conditions de soudage avec du fil de soudage en acier en atmosphère de gaz carbonique, il était absolument essentiel que la longueur apparente de l'arc, c'est-à-dire la distance entre le bout du fil de l'électrode et le plan de la surface de la pièce soit inférieure à 3,2 mm. Pour avoir les meilleurs résultats, à peu près quelles que soient les autres conditions, cette longueur apparente d'arc devrait être infé- rieure à 1,6 mm, ce qui est la longueur d'arc maximum que l'on préfère dans la présente invention.
On a trouvé également que la valeur du courant de soudage était un facteur important lorsqu'il s'agit de soudures exécutées sous la protection de gaz carbonique et qui doivent être de bonne qualité, Le courant doit être maintenu à une valeur suffisamment élevée pour empê- cher le court-circuitage de l'arc par le métal fondu qui passe à travers l'are. Par contre, le courant doit rester inférieur une valeur maxima pour laquelle le métal fondu serait surchauffé à un tel point qu'il se produirait une effervescence
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excessive du bain de fusion. Cette effervescence est liée à la réaction métallurgique bien connue qui a lieu dans le fer fondu, contenant en solution de l'oxyde de fer qui est réduit par le carbone dissous pour donner de l'oxyde de carbone qui se dégage sous forne de gaz.
L'oxyde de carbone ainsi produit forme généralement des inclusions dans le métal de soudure quand le métal de soudure refroidit et donne une soudure poreuse. Cette cause de porosité peut être en grande partie éliminée en limitant le courant de soudage h une valeur inférieure à celle qui produit une surchauffe du bain de fusion et une effervescence excessive.
De plus, la longueur de l'arc et l'intensité sont en partie interdépendants. D'après l'intensité du courant de soudage désiré, on peut prévoir les limites inférieure @@ supérieure de la longueur d'arc. Les arcs à faible intensité ne peuvent pas toujours être raccourcis sans donner lieu à une instabilité excessive et à des court-circuits. On doit donc s'en tenir à des longueurs supérieures à 1,6 mm. En augmentant le courant de soudage, on accroît à la fois la vitesse de dépôt et les forces de l'arc tandis qu'en général on réduit la grosseur dos gouttelettes de métal. Cette augmen- tation de courant peut produire un bain de soudage agité et surchauffé dans lequel il se produit une vive réaction de désoxydation avec d'abondantes projections. Le métal de soudure ainsi produit est poreux.
L'utilisation d'un arc de longueur minimum améliore ces conditions. Il est donc apparent que, pour n'importe quelles conditions de soudage données, il y a une valeur optimum du courant et que la longueur d'arc est limitée d'un coté par les projections, la porosité et un dépôt insuffisant, et de l'autre côté par l'instabilité de
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l'arc et la mauvaise for;.e du cordon de soudure.
Pour définir le rapport critique entre le diamètre de l'électrode, le courant de soudage et la longueur de l'arc, @n a fait un grand nombre d'essais et on a analysé les résultats pour trouver un critère permettant de prévoir les résultats de la soudure en atmosphère de CO2. On a trouve que.pour obtenir de bonnes soudures avec protection par CO2, il fallait suivre une règle déterminée, basée 'sur une relation entre la tension d'arc et l'intensité du courant de soudage, exprimée en fonction du diamètre de l'électrode.
La tension de l'arc, pour le calcul de cotte relation est définie comme la tension entre le tube de contact dans la tête de soudage et la pièce à souder, et elle comprend la chute de tension due à la résistance de la partie terminale de l'électrode, entre le tube de contact e l'arc, ainsi qu'à la résistance de contact entre l'électrode et le tube de contact, en plus de la chute de tension réelle de l'arc. La longueur de l'arc qui est critique mais difficile à définir ou à mesurer se retrouve dans ce facteur de tension d'arc, L'intensité du courant de soudage est exprimée en ampères en fonction du diamètre de l'électrode.
On a trouvé, en traçant un graphique de la tension d'arc en fonction de la densité de courant dans l'électrode fusible, qu'il apparaissait un rapport simple pour toutes les combinaisons de courant, longueur d'arc et diamètres d'électrode qui donnent des conditions de soudage satisfaisantes, c'est-à-dire sans collage et court- circuitage de l'électrode et avec un minimum de projections, Ce rapport est illustré sur la figure 3. La courbe A du graphique délimite les conditions dans lesquelles il se produit des projections excessives et les conditions satisfaisantes de soudage.
Son équation est.1
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2 ( U - 20 )2 = 0,07 ( 25,4 x - 2400 ) dans laquelle U est la tension de l'arc en volts et x l'intensité en ampères du courant de soudage par millimètre de diamètre de l'électrode. Une courbe B, similaire, définit les conditions au-dessoqs desquelles le collage et le court-circuitage de l'électrode deviennent excessifs. Cette courbe peut être exprimée par l'équation : (U-10 ) 2, = 0,07 ( 25,4 x - 2400 )
Il est essentiel, pour souder en atmosphère de CO2 de maintenir d'es conditions de marche qui se trouvent dans la zone délimitée par ces courbes, si l'on veut obtenir des soudures de bonne qualité.
Le rapport critique entre la longueur d'arc, le courant et le diamètre de fil est exprimé par ces courbes dont les variables sont bien définies et faciles à déterminer.
En général, le courant continu en polarité inversée offre plus d'avantages que la polarité directe pour le soudage à l'arc protégé par le gaz carbonique. La polarité inversée est préférée à toutes les autres formes de courant,de soudage.
,Pour des courants inférieurs à 350 ampères, la polarité directe donne une soudure acceptable avec une vitesse de dépôt presque double de celle que l'on pourrait obtenir avec une polarité inversée. Avec des courants supérieurs à 350 ampères? la polarité directe donne des projections excessives et un dépôt poreux.
Toutes les variables mentionnées plus haut dépendent à un certain point de la vitesse de travail. De faibles vitesses permettent de faire absorber plus d'énergie par la soudure,
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ce qui rend la réaction de désoxydation plus active et par suite entraîne plus de projections et de porosités. Des , vitesses excessives donnent fréquemment une gerbe de projections à partir du cratère de la soudure, augmentent la formation de caniveaux et causent des discontinuités dans le cordon de soudure.
La cinématographie à grande vitesse montre que les projections, dans le procédé de soudage a l'arc avec protection de,gaz carbonique, proviennent de toutes sortes de causes, déjà: connues, sauf le soufflage magnétique de l'arc....
Ces causes sont la réaction de désoxydation,, les courts-circuits de l'arc et l'agitation mécanique due aux forces de l'arc. Avec des arcs courts, il y a plus de probabilités pour que les projections restent dans la zone de soudage et la tendance à la formation de grosses gouttes est diminuée.
Il est possible que l'élément le plus important en dehors des rapports longueur de l'arc, courant, diamètre du fil, contribuant à donner de bons résultats dans le soudage à l'arc avec protection,par le gaz carbonique, soit la composition du fil 'électrode. La conposition de l'électrode a un effet sur les caractéristiques de l'arc, la forme du dépôt de soudure, .les conditions de surface du dép8t-de soudure et le caractère sain du métal de soudure. Quoique l'invention ait trait principalement à l'emploi comme électrodes de fils nus, il est bien entendu que l'on peut aussi utiliser des fils enrobés ayant. des surfaces conductrices nues et' des fils ayant un léger revêtement conducteur d'électricité.
De nombreux essais ont montré que des dép8ts de soudure sains en acier ne peuvent être obtenus en atmosphère de gaz carbonique que si l'on emploie du fil 'électrode désoxydé et
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de préférence ayant un pouvoir désoxydant résiduel. Des fils d'acier calmé contenant un minimum de 0,25 % do silicium ont un tel pouvoir désoxydant résiduel. L'analyse de fils possédant un pouvoir désoxydant,suffisant pour donner des soudures saines est donnée dans le tableau 1 ci-dessous :
TABLEAU 1
C Mn Si S P Al Cr V Fe Fil 1 0,10% 1,00% 0,45% 0,02% 0,02% - @ q.s.
Fil 2 ,10% 1,30% 0,25% 0,03% 0,03% 0,02% ... - q.s.
Fil 3 0,30% 0,80% 0,30% 0,01% 0,01% - ' 0,95% 0,20% q.s.
Voici un exemple de mise en oeuvre de la présente invention. Pour souder, avec recouvrement des tôles d'acier effervescent de 2,25 mm d'épaisseur, on à fait un dépôt avec un arc protégé par du gaz carbonique dans l'interstice forme entre le bord de la tôle recouvrante et la surface supérieure de la tôle du dessous. Des soudures de haute qualité ont été faites, en production industrielle, en utilisant une polarité inversée en courant continu avec un fil 'électrode de 1,6 mm de diamètre dont l'analyse est celle du fil 1 du tableau 1 ci-* dessus. Le fil 'électrode était débité à une vitesse de
8 mètres par minute et on utilisait un courant de soudage de 430 ampères avc une tension d'arc de 30,5 volts.
L'arc était protégé par un .courant de 2 mètres cubes par heure de CO2 pur commercial, projeté par une buse de 25 mm de diamètre. La vitesse de soudage était de 4,75 mètres par minute.
Voici un exemple de l'emploi du procédé de soudage' à l'arc avec protection de CO2 pour des soudures en passes multiples. On a fait des soudures sur des tôles laminées à ,chaud de 12,5 mm en six passes dans un joint ayant un angle de chanfrein de 60 et un écartement des bords à soudex de 3 @@
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avec soutien à l'envers du joint. En utilisant un fil 'électrode de 1,6 mm de diamètre dont l'analyse est celle du fil 2 du tableau 1 ci-dessus, et une polarité inversée en courant continu de 315 ampères, chaque passe'a été faite à la vite se de 0,45 mètre par minute avec une longueur d'arc telle que la tension de l'arc était de 31 volts.
L'arc était protégé avec du CO2 pur commercial passant par une buse de 25 mm de diamètre avec.un débit de 1,7 m3 par heure.
EMI12.1
Il est clair d'après ces exemplquè:l'inv.ntlon apporte la possibilité de réaliser des soudures de haute qualité à des vitesses élevées .par le @ soudage à l'arc à électrode fusible en atmosphère protectrice de gaz carbonique.
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The present invention relates to arc welding and, more particularly, to arc welding in a carbon dioxide atmosphere.
In all the different welding processes, which are now in general use for metal arc welding with a fusible electrode, it is necessary to make use of a flux and / or a gas shield. protector to refine the weld metal and / or to prevent the formation of oxides and nitrides, as well as to prevent other reactions which reduce the physical properties of the weld metal. Conventional coated electrodes provide the desired results by generating an arc atmosphere and providing a reactive slag blanket for the weld area. Frequently such electrodes are expensive to manufacture and can only be produced in rods, and not in continuous wires.
This leads to frequent
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interruptions: from welding to changing electrodes, and as the welding current passes through the entire length of the electrode there are limits set for the maximum current that can be used o The loss of electrode drops that are Inherent in the use of rods is wasteful. Submerged arc welding overcomes some of these difficulties, as it uses a continuous bare wire electrode, and the arc is immersed in a molten mass of pre-melted flux. In this process, welding is largely limited to flat welding, unless you have special apparatus to hold the flux in place for welding in position.
The flux is expensive and quite boring to handle, the solder must be done blind, as the operator cannot see the arc or the joint to be welded. Very recently the arc welding process with inert gas protection, disclosed in Belgian patent N 493 266, has come into use. It has the advantages of using a continuous bare electrode with a high current density, of being completely visible and of avoiding the use of slag and flux. The inert gas used to protect the arc and the welding area dissolves. sipe in the air and there is no need for cleaning or auxiliary operations between the different passes or after the end of the weld. This process produces sound weld metal at high speeds and has given complete satisfaction in speed and quality.
The shielding gas used in this process is preferably a monoatomic inert gas, such as argon or helium which is relatively expensive. Welding with fusible electrodes in air without gas or flux protection is not practicable, except for work of the lowest quality.
An object of the present invention is to provide a visible arc welding process, with a continuously advancing bare wire electrode, offering the convenience of the process.
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welding with consumable electrode protected by inert gas, but using a gaseous atmosphere much less expensive than a monoatomic inert gas.
Another object is to achieve an arc welding process with a consumable electrode in a protective gas atmosphere, using a shielding gas of composition other than a monoatomic inert gas, and obtaining a sound weld metal having good physical properties, without the welding giving rise to excessive spatter.
Another object is to be able to use, in such a welding process, a low cost shielding gas which is non-flammable and non-toxic.
These and other objects of the invention will become apparent or become apparent in the following detailed description of one embodiment of the invention.
According to the present invention, it has been found that, under certain determined conditions, a welding arc can be maintained in a carbon dioxide atmosphere between a fusible wire electrode and a workpiece, in order to produce high quality welds at high speed. , in ferrous metals. The main function of carbon dioxide is to remove the ambient atmosphere from the arc region. This can be accomplished by a stream of carbon dioxide directed so as to envelop the end of the fusible electrode, the arc and the molten metal produced therein. Since carbon dioxide is relatively dense, it can readily be employed to envelop the arc in a truly non-turbulent stream of adequate stiffness without the need to use excessive amounts.
Removing only air, however, is not a sufficient object of the present invention. It has been found that there must exist a certain relation between the diameter of the electrode, the
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current, arc length and electrode wire composition if sound weld metal is to be produced without excessive spatter. Other factors, such as the type of welding current, the welding speed and the composition of the workpiece are also important factors for the object of the present invention; The relationship between these variables is set out in detail in the description which follows and which will be better understood with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 illustrates in simplified form an apparatus for implementing the present invention,
Figure 2 illustrates partly in section and on a larger scale, part of the welding head of Figure 1.
Figure 3 is a graph illustrating the recall required between certain process variables to produce good quality welds.
Referring to Figure 1 of the drawing, the weld part is designated by II. The welding electrode 12 is in the form of a long unwinding wire / a spool 13 mounted so as to rotate on a fixed support 14. The drive rollers
16 in the welding head 17 are driven by an electric motor
18. The drive rollers 16 pull the wire 12 from the spool 13 through a flexible sheath 19 and push the wire into the barrel of the welding head 21. The barrel of the welding head 21 includes a central tube 22. (Figure 3) and an outer tubular envelope 230 The central tube ends with a contact tube 24 which brings the welding current to the electrode wire 12 passing inside.
The outer shell 23 terminates in a nozzle 26 surrounding the center tube and the contact tube. The annular chip 27 between the center tube and the shell and between the contact tube and the nozzle forms a passage for the current
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of shielding gas towards the arc. The barrel of the welding head is preferably designed such that gas exits the nozzle in a truly non-turbulent flow to protect the electrode tip, the arc and the weld area from ambient air. . United States Patent Nos. 2,544,711 and N 2,544,801, detail the preferred ways of forming the desired shield with a truly non-turbulent gas stream.
The welding current can be supplied by a welding machine of the usual type 31. One of the terminals of the welding machine is electrically connected to the workpiece by the cable 32 and the other terminal is electrically connected by the cable 33 to the welding head 21, through which the current is transmitted through the contact tube 24 to the electrode wire 120. A contactor 34 is preferably provided for opening and closing the welding circuit.
The carbon dioxide comes from a source such as the bottle 41, equipped with a valve 42, a pressure reducer 43 and a flowmeter 44. The pipe 46 brings the carbon dioxide to the inlet connection in the head. welding. This connector communicates with the annular space 27 between the internal and external barrels and brings carbon dioxide to the nozzle.
Here is briefly how this apparatus works. A stream of protective gas is sent intoxicating the cylinder valve 42 and adjusting the regulator 43 until the flow meter 44 indicates the desired gas flow rate. Contact 34 is closed, which energizes the electrode and the workpiece. The electrode is then advanced. 12 until it touches part 11 and the arc shoots out. The wire is then lowered towards the workpiece continuously at a speed which allows the arc to be maintained. Since, in this process, precise control of the arc length is essential, it is preferable to feed the wire from an automatic welding head, as shown - 5 -
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on the drawing.
These automatic heads respond to variations in the voltage of the arc so as to automatically maintain this voltage and consequently to keep the length of the arc really constant. The present invention is not, however, limited to the use of automatically regulated welding heads, but it can be implemented with devices with a constant wire feed speed, such as manual devices of the type of now commonly used for metal arc welding with inert gas protection,
Previous welding tests in a carbon dioxide atmosphere have not led to industrial achievements because certain critical relationships between the wire feed speed, the current and the composition of the electrode wire n were not maintained.
It has now been found that in order to obtain good welding conditions with steel welding wire in a carbon dioxide atmosphere, it is absolutely essential that the apparent length of the arc, i.e. the distance between the tip of the electrode wire and the plane of the workpiece surface is less than 3.2 mm. For best results, almost under all other conditions, this apparent arc length should be less than 1.6 mm, which is the preferred maximum arc length here. invention.
It has also been found that the value of the welding current is an important factor when it comes to welds performed under the protection of carbon dioxide and which must be of good quality. The current must be kept at a value high enough to prevent - expensive the short-circuiting of the arc by the molten metal which passes through the are. On the other hand, the current must remain below a maximum value for which the molten metal would be overheated to such a point that an effervescence would occur.
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excessive molten pool. This effervescence is linked to the well-known metallurgical reaction which takes place in molten iron, containing iron oxide in solution which is reduced by dissolved carbon to give carbon monoxide which is released in the form of gas.
The carbon monoxide thus produced generally forms inclusions in the weld metal as the weld metal cools and gives a porous weld. This cause of porosity can be largely eliminated by limiting the welding current to a value lower than that which produces overheating of the weld pool and excessive effervescence.
In addition, arc length and intensity are partly interdependent. Based on the desired welding current strength, the lower and upper limits of arc length can be predicted. Low current arcs cannot always be shortened without causing excessive instability and short circuits. We must therefore stick to lengths greater than 1.6 mm. By increasing the welding current both the deposition rate and the arc forces are increased while in general the size of the metal droplets is reduced. This increase in current can produce a stirred and superheated solder bath in which a strong deoxidation reaction occurs with abundant spatter. The weld metal thus produced is porous.
The use of an arc of minimum length improves these conditions. It is therefore apparent that, for any given welding conditions, there is an optimum value of the current and that the arc length is limited on one side by projections, porosity and insufficient deposition, and the other side by the instability of
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the arc and the wrong strength of the weld bead.
To define the critical relationship between electrode diameter, welding current and arc length, @na made a large number of tests and we analyzed the results to find a criterion to predict the results of welding in a CO2 atmosphere. It has been found that to obtain good welds with CO2 protection, it is necessary to follow a determined rule, based on a relationship between the arc voltage and the intensity of the welding current, expressed as a function of the diameter of the welding current. electrode.
The arc voltage, for the calculation of this relation is defined as the voltage between the contact tip in the welding head and the workpiece, and it includes the voltage drop due to the resistance of the terminal part of electrode, between the contact tip and the arc, as well as the contact resistance between the electrode and the contact tip, in addition to the actual voltage drop of the arc. The arc length which is critical but difficult to define or measure is found in this arc voltage factor. Welding current intensity is expressed in amperes depending on the diameter of the electrode.
It was found, by plotting the arc voltage against the current density in the fusible electrode, that a simple relationship appeared for all combinations of current, arc length and electrode diameters. which give satisfactory welding conditions, that is to say without sticking and short-circuiting of the electrode and with a minimum of spatter. This relationship is illustrated in figure 3. Curve A of the graph delimits the conditions in which excessive spatter occurs and satisfactory welding conditions.
Its equation is. 1
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2 (U - 20) 2 = 0.07 (25.4 x - 2400) where U is the arc voltage in volts and x the intensity in amps of the welding current per millimeter of electrode diameter . A curve B, similar, defines the conditions below which the sticking and shorting of the electrode becomes excessive. This curve can be expressed by the equation: (U-10) 2, = 0.07 (25.4 x - 2400)
It is essential, in order to weld in a CO2 atmosphere, to maintain operating conditions which are in the zone delimited by these curves, if we want to obtain good quality welds.
The critical relationship between arc length, current and wire diameter is expressed by these curves whose variables are well defined and easy to determine.
In general, reverse polarity direct current offers more advantages than direct polarity for carbon dioxide shielded arc welding. Reverse polarity is preferred over all other forms of current, welding.
, For currents less than 350 amps, the direct polarity gives an acceptable weld with a deposition rate almost double that which one would obtain with a reversed polarity. With currents greater than 350 amps? direct polarity results in excessive spatter and porous deposit.
All the above mentioned variables depend to some extent on the working speed. Low speeds allow more energy to be absorbed by the weld,
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which makes the deoxidation reaction more active and consequently leads to more projections and porosities. Excessive velocities frequently result in a spray pattern from the weld crater, increase channel formation and cause discontinuities in the weld bead.
High-speed cinematography shows that the projections, in the arc welding process with protection of carbon dioxide, come from all kinds of causes, already: known, except the magnetic blowing of the arc ....
These causes are the deoxidation reaction, arc short circuits and mechanical agitation due to arc forces. With short arcs there is a greater chance that the spatter will remain in the weld zone and the tendency for large droplets to form is reduced.
It is possible that the most important element apart from the arc length, current, wire diameter ratios, contributing to give good results in arc welding with protection, by carbon dioxide, is the composition of the electrode wire. The arrangement of the electrode has an effect on the characteristics of the arc, the shape of the weld deposit, the surface conditions of the weld deposit and the soundness of the weld metal. Although the invention relates mainly to the use as electrodes of bare wires, it is understood that one can also use coated wires having. bare conductive surfaces and wires having a light electrically conductive coating.
Numerous tests have shown that sound weld deposits in steel can only be obtained in a carbon dioxide atmosphere if deoxidized electrode wire is used and
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preferably having a residual deoxidizing power. Calmed steel wires containing a minimum of 0.25% silicon have such residual deoxidizing power. The analysis of wires having a deoxidizing power sufficient to give sound welds is given in Table 1 below:
TABLE 1
C Mn Si S P Al Cr V Fe Fil 1 0.10% 1.00% 0.45% 0.02% 0.02% - @ q.s.
Fil 2, 10% 1.30% 0.25% 0.03% 0.03% 0.02% ... - q.s.
Wire 3 0.30% 0.80% 0.30% 0.01% 0.01% - '0.95% 0.20% q.s.
Here is an example of implementation of the present invention. To weld, with the covering of 2.25 mm thick effervescent steel sheets, a deposit is made with an arc protected by carbon dioxide in the gap formed between the edge of the covering sheet and the upper surface of the sheet below. High quality welds have been made, in commercial production, using reverse DC polarity with a 1.6 mm diameter electrode wire analyzed as of wire 1 of Table 1 above. The electrode wire was fed at a speed of
8 meters per minute and a welding current of 430 amperes was used with an arc voltage of 30.5 volts.
The arc was protected by a current of 2 cubic meters per hour of pure commercial CO2, projected by a nozzle 25 mm in diameter. The welding speed was 4.75 meters per minute.
Here is an example of the use of the CO2 shielding arc welding process for multiple pass welds. Welds were made on 12.5mm hot rolled sheet in six passes in a joint having a chamfer angle of 60 and a weld edge spacing of 3 @@
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with support on the back of the joint. Using a 1.6 mm diameter electrode wire analyzed as of wire 2 in Table 1 above, and a reverse DC polarity of 315 amps, each pass was made quickly. 0.45 meters per minute with an arc length such that the arc voltage was 31 volts.
The arc was protected with pure commercial CO2 passing through a 25 mm diameter nozzle with a flow rate of 1.7 m3 per hour.
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It is clear from these examples: the inv.ntlon brings the possibility of making high quality welds at high speeds. By @ fusible electrode arc welding in a protective atmosphere of carbon dioxide.